CN104038003A - 一种混合电励磁磁轴承开关磁阻电机 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种混合电励磁磁轴承开关磁阻电机，由电机定子、磁阻电机转子、磁轴承定子、磁轴承转子、转矩绕组、悬浮力绕组和转轴构成；磁阻电机定子和磁轴承定子均是12极结构，二者轴向串行放置，且之间存有间隙；磁阻电机转子为8极结构，磁轴承转子为圆柱结构，二者套在转轴上，且之间存在与磁轴承定子和磁阻电机定子间距离相等的间隙；转矩绕组和悬浮力绕组均为12个，每个转矩绕组缠绕在处于同一周向位置的磁阻电机定子齿和磁轴承定子齿之上，每个悬浮力绕组缠绕在磁轴承定子齿上。本发明在结构上实现了转矩和悬浮力的解耦，且径向承载力大；削除了运动电动势对悬浮电流斩波控制的影响，电流实时控制效果好，高速适应性强。

Description

一种混合电励磁磁轴承开关磁阻电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，涉及一种混合电励磁磁轴承开关磁阻电机。

背景技术

无轴承开关磁阻电机是20世纪末发展起来的一种新型磁悬浮电机。双绕组无轴承开关磁阻电机是将产生悬浮力的悬浮绕组和原来开关磁阻电机的绕组一起叠绕在电机的定子上，通过控制两套绕组电流使其同时具有旋转和自悬浮能力，从而实现电机的超高速运行。而单绕组无轴承开关磁阻电机则是通过控制一套绕组电流使其同时具有旋转和自悬浮能力。

无轴承开关磁阻电机是一个非常复杂、非线性极强的系统，转矩和悬浮力之间存在着强耦合，且很难在控制策略和数学模型中实现二者的完全解耦，这是无轴承开关磁阻电机悬浮和运行性能难以提高的主要因素之一。另外，因悬浮力控制所需，必须对绕组电流进行斩波控制，而高速运行时，运动电动势和感应电动势的双重作用导致无法对电流进行跟踪斩波控制，即会出现斩不住的现象，这大大影响了无轴承开关磁阻电机高速性能的发挥。

为解决无轴承开关磁阻电机的上述两个缺点，国内外学者做了大量的工作，通过改变定子结构提出了8/10和12/14结构的混合定子齿单绕组无轴承开关磁阻电机，其特点在于悬浮力和转矩分别由悬浮绕组和转矩绕组单独产生，电机为两相工作制,电机的功率密度较低；通过改变悬浮绕组的连接方式提出了串励式双绕组无轴承开关磁阻电机，它将同一方向上的三相悬浮绕组串联为一套绕组，这样悬浮绕组磁导在一个转子周期恒定不变，悬浮电流不产生转矩，实现了转矩和悬浮力结构上的解耦，但悬浮绕组漆包线需求量大，费铜，且绕组利用低；通过增大转子极弧和改变定、转子极数组合提出了12/4、12/8及16/4极结构的无轴承开关磁阻电机，然而转子极弧的增加，压缩了转矩输出宽度，功率密度较低；通过轴向增加一个径向磁轴承，提出了一种复合结构单绕组无轴承开关磁阻电机，然而悬浮运行时需要对每个绕组独立控制，所需功率器件较大，且一相悬浮励磁结束后，由于不对称电流的存在仍将产生悬浮力，不利于该相转矩输出和另一相的悬浮控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术的不足，提出一种混合电励磁磁轴承开关磁阻电机。所述电机是一种悬浮力和转矩解耦、高速适应性强且径向承载力大的新型磁悬浮开关磁阻电机。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种混合电励磁磁轴承开关磁阻电机，包括电机定子、电机转子、电机绕组和转轴；

所述电机定子由磁阻电机定子和磁轴承定子构成，二者均为凸极结构，齿数均为12；所述磁阻电机定子与磁轴承定子齿对齐，并沿转轴轴向间隔一定距离；

所述电机转子由磁阻电机转子和磁轴承转子构成，所述磁阻电机转子为凸极结构，齿数为8，所述磁轴承转子为圆柱结构；所述磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，而磁轴承转子布置在磁轴承定子内；磁阻电机转子和磁轴承转子均套在所述转轴上，且二者间距与所述磁轴承定子和磁阻电机定子间的间距相等；

所述电机绕组，包括转矩绕组和悬浮力绕组；所述转矩绕组共有12个，每个转矩绕组缠绕在同一周向位置的磁阻电机定子齿和磁轴承定子齿上；所述悬浮力绕组共有12个，每个悬浮力绕组缠绕在磁轴承定子齿上；所述悬浮力绕组的端部长度小于磁阻电机定子与磁轴承定子的间距；

所述混合电励磁磁轴承开关磁阻电机为三相制电机，每相绕组由一套转矩绕组和两套悬浮力绕组构成；一套转矩绕组由4个空间上相隔90°的转矩绕组正向串联而成，4个转矩绕组产生的磁通呈NSNS交替分布；两套悬浮力绕组由与上述4个转矩绕组缠绕的4个磁轴承定子齿上的4个悬浮力绕组构成，其中，两对相隔180°的轴承定子齿上的悬浮力绕组反向串联为一套悬浮绕组，另外两个相隔180°的悬浮力绕组反向串联为另一套悬浮绕组；两套悬浮力绕组产生的磁通呈NNSS分布。

所述凸极结构的磁阻电机转子用于产生转矩，圆柱结构的悬浮力转子用于产生悬浮力。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种混合电励磁磁轴承开关磁阻电机，采用本发明的技术方案，具有如下技术效果：

（1）悬浮力和转矩解耦，高速悬浮性能好；

（2）悬浮控制类似径向磁轴承，控制方便；

（3）削除了运动电动势的对绕组电流斩波控制的影响，电流实时控制效果好；

（4）径向悬浮力大，高速适应性强。

附图说明

图1是本发明一种混合电励磁磁轴承开关磁阻电机的结构示意图。

图2是本发明磁轴承A相绕组结构和悬浮力产生机理示意图。

图3为本发明磁阻电机A相转矩绕组结构及磁通分布示意图。

图4 为本发明A相转矩绕组电感、转矩绕组电流和悬浮力绕组电流的示意图。

图5 为本发明A相悬浮力绕组电感和悬浮力有限元仿真结果。

图6 为本发明A相转矩绕组产生的转矩有限元仿真结果。

附图标记说明：图1至图6中，1是磁阻电机定子铁心，2是磁阻电机转子， 3是磁轴承定子铁心，4是磁轴承转子，5是转矩绕组，6是悬浮力绕组，7是转轴， 8、9分别表示第一气隙和第二气隙，10是A相转矩绕组N_ma，11和12分别为A相α、β方向的悬浮力绕组N_sa1和N_sa2，13是转矩绕组电流产生的四极磁通，14为β方向悬浮力绕组电流产生的两极磁通，15、16分别为转矩绕组的流入电流i _ma +和流出电流i _ma -，17、18分别为α方向悬浮力绕组的流入电流i _sa1+和流出电流i _sa1-，19、20分别为β方向悬浮力绕组的流入电流i _sa2+和流出电流i _sa2-，21、22分别为直角坐标系的两个方向α和β，23为产生的α正方向悬浮力 F _α ，24为A相转矩绕组N_ma的电感有限元仿真值，25为A相转矩绕组的电流示意图，26为A相α正方向悬浮绕组N_sa1的电流示意图，27为A相β正方向悬浮绕组N_sa2的电流示意图，28是A相悬浮力绕组的电感有限元仿真值，29为A相绕组共同作用产生的悬浮力有限元仿真值，30为A相转矩绕组产生的转矩有限元仿真值，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示三个励磁区间。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本发明的一种混合电励磁磁轴承开关磁阻电机的结构示意图，其中，1是磁阻电机定子铁心、2是磁阻电机转子铁心、3是磁轴承定子铁心、4是磁轴承转子铁心、5是转矩绕组、6是悬浮力绕组、7是转轴。

所述电机定子由磁阻电机定子和磁轴承定子构成，二者均为凸极结构，齿数均为12；所述磁阻电机定子与磁轴承定子处于齿与齿对齐状态，且二者轴向相隔一定距离，该间距大于悬浮力绕组的端部长度；

所述电机转子由磁阻电机转子和磁轴承转子构成，所述磁阻电机转子为凸极结构，齿数为8，所述磁轴承转子为圆柱结构；所述磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，而磁轴承转子布置在磁轴承定子内；两者共同套在所述转轴上，且二者中间留有一定间距，该间距与所述磁轴承定子和磁阻电机定子间的间距相等；

所述电机绕组，包括转矩绕组和悬浮力绕组两类绕组；所述转矩绕组共有12个，每个转矩绕组横跨处于同一周向位置的磁阻电机定子齿和磁轴承定子齿，并缠绕在二者之上；所述悬浮力绕组共有12个，每个悬浮力绕组缠绕在磁轴承定子齿上；

所述电机为三相制电机，每相绕组由一套转矩绕组和两套悬浮力绕组构成，其中，一套转矩绕组由4个空间上相隔90°的转矩绕组正向串联而成，4个转矩绕组产生的磁通呈NSNS交替分布；两套悬浮力绕组由与上述4个转矩绕组缠绕的4个磁轴承定子齿上的4个悬浮力绕组构成，连接方式为：两对相隔180°的轴承定子齿上的悬浮力绕组反向串联为一套悬浮绕组，另外两个相隔180°的悬浮力绕组反向串联为另一套悬浮绕组；两套悬浮力绕组产生的磁通呈NNSS分布。

所述电机中的凸极结构磁阻电机转子用于产生转矩，圆柱结构的悬浮力转子用于产生悬浮力。

图2为本发明一种混合电励磁磁轴承开关磁阻电机中的磁轴承A相绕组结构和悬浮力产生机理示意图。A相转矩绕组由分布在4个相对齿的线圈串联而成，彼此在空间上相隔90°，A相转矩绕组电流产生的四极对称磁通，呈NSNS分布；A相α、β方向悬浮力绕组由磁轴承定子两个相对齿上的绕组反向串联而成，产生两极对称磁通，呈NS分布；B、C相的绕组与A相绕组结构相同，仅在位置上与A相相差30°和-30°。

当A相转矩绕组N_ma和α方向悬浮力绕组N_sa1导通时，两者产生的磁通在第一气隙处方向相同，磁通增强，而在第二气隙处方向相反，磁通减弱，导致第一气隙处的磁通大于第二气隙处的磁通，进而产生一个α正方向的悬浮力 F _α ；当改变α方向悬浮力绕组N_sa1电流i _sa1的方向，将产生一个α负方向的悬浮力。同理，悬浮力绕组N_sa2导通时也可产生一个β方向悬浮力，合理控制转矩绕组N_ma、悬浮力绕组N_sa1和悬浮力绕组N_sa2的电流i _ma 、i _sa1和i _sa2即可产生任意大小和方向的悬浮力。

图3为本发明一种混合电励磁磁轴承开关磁阻电机中的磁阻电机A相转矩绕组结构及磁通分布示意图。当A相转矩绕组N_ma导通时，产生的四极对称磁通作为磁轴承的偏置磁场；由于气隙内磁通分布对称，因此磁阻电机不产生悬浮力，仅产生转矩。

图4 为本发明一种混合电励磁磁轴承开关磁阻电机的A相转矩绕组电感、转矩绕组电流和悬浮力绕组电流的示意图。定义定子齿与转子槽对齐位置为零度位置，即为不对齐位置。对三相12/8极无轴承开关磁阻电机而言，一个转子周期角为45°，则每相绕组产生悬浮力的区间为15°，这样才能保证电机的稳定悬浮运行。

以A相为例，来说明本发明一种混合电励磁磁轴承开关磁阻电机的运行方式。设置转子位置角为θ，在θ∈[-7.5°，7.5°]内，由于绕组自感分布相对平滑，有利于削弱运动电势对电流斩波控制的影响，从而可采用电流斩波控制方法实现径向悬浮力的瞬时控制。可设计电机运行工作模式如下：

当电动运行时，在[-7.5°，7.5°]内（Ⅱ区），以不同的驱动信号同时开通A相各绕组的主功率开关，分别控制A相转矩绕组电流的大小、及α方向悬浮力绕组和β方向悬浮绕组电流大小和方向，产生作用于转子的悬浮力，而此时的转矩则由B相的转矩绕组励磁产生。在[7.5°，22.5°]内（Ⅲ区），A相悬浮励磁结束，两个悬浮力绕组关断，转矩绕组则继续导通，产生转矩，具体的电流控制方法可采用斩波电流控制，PWM控制，以及单脉冲控制，此时悬浮力由C相绕组导通产生。由此可见，在电动运行时的转矩绕组励磁相序是BA-AC-CB，悬浮力绕组励磁相序为A-C-B。

当发电运行时，可选择在转角θ∈[-22.5°，-7.5°]内（Ⅰ区）开通A相转矩绕组的主功率开关，向外输出电能，此时悬浮力由B相绕组产生。仍在[-7.5°，7.5°]内（Ⅱ区），同时控制A相转矩绕组和悬浮力绕电流，产生作用于转子的悬浮力，此时C相进入发电状态。因此，在发电运行时的转矩绕组励磁相序是CA-AB-BC，悬浮力绕组励磁相序为A-B-C。

悬浮力控制原理为：A相悬浮励磁区间为[-7.5°，7.5°]，α方向悬浮力由转矩绕组电流i _ma 和α方向悬浮力绕组电流i _sa1控制，当i _sa1>0时，产上α正方向悬浮力，反之，产生α负方向悬浮力；同理，β方向悬浮力由转矩绕组电流i _ma 和β方向悬浮力绕组电流i _sa2控制，当i _sa2>0时，产上β正方向悬浮力，反之，产生β负方向悬浮力；α方向和β方向悬浮力可合成任意方向的悬浮力，因此通过合理控制3套绕组电流，可产生任意方向和大小的悬浮力，进而实现电机的自悬浮功能。同理，[-22.5°，-7.5°]和[7.5°，22.5°]区间的悬浮力可分别由B相和C相绕组产生，进而实现整个转子周期内的悬浮运行。

图5 为本发明一种混合电励磁磁轴承开关磁阻电机的A相悬浮力绕组电感和悬浮力有限元仿真结果。仿真时A相转矩绕组N_ma和β方向悬浮力绕组N_sa2均施加一恒定电流，分别计算不同转子位置时的电感和悬浮力值。仿真结果显示，悬浮力绕组的电感为恒值，故可削除运动电动势对电流斩波控制的影响。在A相悬浮励磁区间[-7.5°，7.5°]内，产生的悬浮力也为恒值，有利于悬浮控制，且可把转矩绕组和悬浮力绕组电流在[-7.5°，7.5°]内控制为方波形式。

图6为本发明一种混合电励磁磁轴承开关磁阻电机的A相转矩绕组产生的转矩有限元仿真结果。仿真时仅A相转矩绕组N_ma施加一恒定电流值，分别计算不同转子位置产生的转矩。仿真结果显示，在A相悬浮励磁区间[-7.5°，7.5°]内，产生的转矩正反对称，且数值很小，该区间内转矩合成值为零，可认为该区间不产生转矩。因此，悬浮励磁区间仅有悬浮力产生，而无转矩输出，实现了转矩和悬浮力的解耦。

综上所述，本发明分区域分时单独产生转矩和悬浮力，在结构上实现了转矩和悬浮力的解耦；悬浮区间，悬浮力为恒值，可把悬浮区间内的转矩绕组电流和悬浮力绕组电流控制为方波形式，简化了数学模型和控制算法，降低了控制系统的复杂度；设计圆柱转子产生悬浮力，径向承载力大；悬浮区间，转矩绕组和悬浮力绕组的电感均为恒值，运动电动势为零，削除了运动电动势的对绕组电流斩波控制的影响，改善了电流实时控制效果，高速适应性强。

对该技术领域的普通技术人员而言，根据以上实施类型可以很容易联想其他的优点和变形。因此，本发明并不局限于上述具体实例，其仅仅作为例子对本发明的一种形态进行详细、示范性的说明。在不背离本发明宗旨的范围内，本领域普通技术人员根据上述具体实例通过各种等同替换所得到的技术方案，均应包含在本发明的权利要求范围及其等同范围之内。

Claims (1)

1.一种混合电励磁磁轴承开关磁阻电机，其特征在于，包括电机定子、电机转子、电机绕组和转轴；

所述电机定子由磁阻电机定子和磁轴承定子构成，二者均为凸极结构，齿数均为12；所述磁阻电机定子与磁轴承定子齿对齐，并沿转轴轴向间隔指定的距离；

所述电机转子由磁阻电机转子和磁轴承转子构成，所述磁阻电机转子为凸极结构，齿数为8，所述磁轴承转子为圆柱结构；所述磁阻电机转子布置在磁阻电机定子内，而磁轴承转子布置在磁轴承定子内；磁阻电机转子和磁轴承转子均套在所述转轴上，且二者间距与磁轴承定子和磁阻电机定子间的间距相等；

所述电机绕组，包括转矩绕组和悬浮力绕组；所述转矩绕组共有12个，每个转矩绕组缠绕在同一周向位置的磁阻电机定子齿和磁轴承定子齿上；所述悬浮力绕组共有12个，每个悬浮力绕组缠绕在磁轴承定子齿上；所述悬浮力绕组的端部长度小于磁阻电机定子与磁轴承定子的间距；

所述混合电励磁磁轴承开关磁阻电机为三相制电机，每相绕组由一套转矩绕组和两套悬浮力绕组构成；一套转矩绕组由4个空间上相隔90°的转矩绕组正向串联而成，4个转矩绕组产生的磁通呈NSNS交替分布；两套悬浮力绕组由与上述4个转矩绕组缠绕的4个磁轴承定子齿上的4个悬浮力绕组构成，其中，两对相隔180°的轴承定子齿上的悬浮力绕组反向串联为一套悬浮绕组，另外两个相隔180°的悬浮力绕组反向串联为另一套悬浮绕组；两套悬浮力绕组产生的磁通呈NNSS分布。